小浪底水利枢纽孔板洞工作门双门同步精确控制优化探讨

许清远++胡可++韦仕龙++杨淇帆++谷源泉

摘 要：小浪底水利枢纽孔板洞偏心铰弧形工作门作为泄洪排沙系统的重要组成部分，其同步启闭控制要求很高，而现有启闭系统受结构本体、行程测量系统以及液压系统的影响，双门同步运动难以精确实现。本文通过对现有技术进行分析，得出通过采用先进行程测量系统和增设泵站旁路纠偏系统，可以有效增加控制精度和纠偏反馈精度，为双门同步启闭的解决提供思路，也为类似工程问题的解决提供借鉴。

关键词：小浪底水利枢纽 孔板洞 同步启闭 行程测量 旁路纠偏

中图分类号：TV34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0037-02

小浪底水利枢纽位于河南省洛阳市孟津县与济源市之间，控制流域面积69.4万km2，占黄河流域面积的92.3%，以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电。泄洪排沙系统由3条孔板洞、3条排沙洞、3条明流洞、6条发电洞及正常溢洪道组成。

孔板洞的工作门和配套的液压启闭设备是泄洪排沙系统的关键设备，其孔洞形式特殊，工作门为双门结构，泄洪运用时要求两扇工作门实现同步启闭，但其设备设计、制造于1999年，受当时技术条件的限制，设备的运行情况不是很理想，双门难以精确同步，本文通过对其不同步原因进行分析，研究并提出同步精确控制的改造方案。

1 系统构成

孔板洞的每个洞室均并排设置有A、B两扇偏心铰弧形工作闸门，每个闸门分别配备了一套独立的液压启闭设备和泵站控制系统；两个闸门由一套电气系统进行控制。每个闸门设置有主、副两个启闭机，主机控制启升和下降，副机控制前移和后撤。

在设计上，要求A、B两扇闸门同时开启，启闭过程中同步偏差小不大于300mm。实际运行中，发现通过电气控制和液压系统的调控，可以实现两扇门的同时开启，但在启闭过程中同步要求难以精确实现，存在较大的过程偏差。

2 双门不同步原因分析

（1）液压系统。闸门的受力情况复杂，偏心铰与副机为半刚性连接，系统未设置全自动同步伺服控制系统，仅仅依靠手动调节液压阀组控制流量进而影响启闭速度，但手动调节反馈较慢，同步反应慢，当单个闸门运行出现阻力时，更会影响启闭速度，难以迅速反馈。

（2）行程测量装置的缺陷。现阶段，闸门启闭的开度测量通过IFM旋转编码器数据采集和主令控制器机械限位控制，能够直观反馈开度数据，但不具备数据处理功能。同时由于在制造安装上的误差，两个编码器的采集也存在数值上的偏差，难以精确保证双门的实际开度值完全同步，甚至在运行过程中会加大测量偏差。

（3）闸门运行阻力。根据文献[1][2]可知，偏心铰弧门受力情况复杂，特别在双门不同步的运行条件下，两个闸门还受高水头和孔板消能环等因素的影响，受力情况相差更大，导致运行阻力偏差进一步增大，在没有自动调节手段的情况下，同步偏差也随之扩大。

3 液压同步控制技术简介

随着技术的迅速发展，液压启闭机的精确测量技术在同步控制方面取得了较大的进步，近些年国内外在光电脉冲传感器、磁致位移传感器等领域的研究都实现了重大突破，为精确同步控制技术的发展奠定了基础[1]。

目前来说，水利行业液压油缸普遍采用的同步系统主要有3种形式。

（1）伺服变量泵的同步回路。两个启闭机由各自油泵供油，一台是定量泵，另一台是伺服变量泵；变量泵的额定流量比定量泵的大，以留有调整余量。启闭机工作时，变量泵对定量泵进行补油控制，使变量泵的排油随定量泵发生相应的变化，反馈调节来满足油缸的同步要求。

（2）电磁比例调速阀的同步回路。电磁比例调速阀控制技术，利用回路放大作用产生偏差信号，进而控制系统的比例调速阀，使一根启闭机油缸随同另一根油缸实现同步偏差调节运动。但比例调速阀要求油液有一定的流动方向，因此，在同步调节的过程中只能采用单向阀进行桥式整流。

其具体工作原理为：以闸门左侧的油缸为基准，如出现偏差，闸门控制系统入，节闸门右侧油缸比例调速阀的节流孔的大小控制进油量，进而来达到两缸同步的目的。采用此比例伺服控制技术，其直接作用在液压系统的主油路上，对液压启闭机的速度调节，反应敏捷，效果明显。但其缺点为比例调速阀的加工精度要求极高，对液压油的清洁度和品质要求较高。

（3）旁路纠偏的同步回路。在液压同步伺服系统上，逐步引进了旁路纠偏技术，通过精确到行程测量系统进行开度测定，进而产生数据对比，若两根启闭机出现开度偏差，此时控制系统得到数据指令，控制电磁阀得电，影响旁通回路，进行速度调整。

旁路纠偏技术的关键在于采用高精度的行程检测技术和数据采集系统，以换向阀来控制旁路泄油以实现回路的同步纠偏。

4 双门同步优化方案

孔板洞两个工作门是相互独立的，两个闸门各自独立，其液压控制系统也是完全独立的，两扇闸门启闭采用同一回路纠偏技术难以实现，可以通过采用更新改造先进的油缸行程测量系统和增设比例调速阀伺服旁路纠偏系统，以实现两个闸门同步控制的技术方案。

本文提出的对孔板洞双门同步启闭的改造可以通对液压启闭机的行程测量系统和液压控制系统两个方面进行改造，具体如下。

（1）行程测量系统。目前，陶瓷喷涂活塞杆以其抗磨损、耐腐蚀的优势越来越得到广泛应用，相应在活塞杆本体上开发了高精度的行程测量装置，测量精度可达到±1mm，测量直接而精确，杜绝了环境对测量精度的影响。该传感器配套专用开度控制仪，在数据计算和处理功能上，通过现场测量向开度仪输入绝对正确的闸门开度数据。

凭借大修契机，对主、副机的活塞杆进行改造，在不影响强度的基础上将其改制成陶瓷活塞杆结构。引进先进的GPMS传感器以淘汰原有的IFM旋转编码器数据采集和主令控制器机械限位控制。新型的传感器可以消除偏心铰的同轴度偏差，并且减小活塞杆行程和闸门实际开度换算的误差。

目前，大修后的启闭机行程测量装置精确得到了充分加强，通过电气控制系统的实时纠偏作用，可以较为精确地进行实时控制，其性能能够基本满足同步控制全自动伺服系统的工作需要。

（2）增加比例调速阀伺服旁路纠偏系统。针对液压泵站控制系统，在后期的改造中，可以在原有的两套液压泵站系统中增加一个比例调速阀伺服旁路纠偏系统，在回路中增设比例流量阀。通过电气控制作用，依据启闭过程同步偏差数据的大小，来随时调节旁路泄油量，實时反馈以得到较高的同步精度。

5 结语

小浪底水利枢纽孔板洞工作门的双门启闭，其同步精确控制要求高，本文在对两个闸门不同步启闭原因进行分析的基础上，探讨不同步的原因。借鉴普通双吊点闸门的同步控制方式，提出在设备升级改造时，采用更为先进和精确的行程测量系统，并在液压回路中增设比例调速阀，来对控制系统进行实时反馈和纠偏。

通过前期改造，行程测量系统精确地得到了显著提升，配合电气控制系统的实时纠偏，可以较为精确地实现闸门的同步启闭，同时本文也为双门进一步的同步改进提供了方向。

参考文献

[1] 黄海涛.液压缸同步回路的设计与应用[J].流体传动与控制，2006（5）：39-41.

[2] 唐红海，王全洲，许滔.小浪底水利枢纽的初期运行[J].水利水电科技进展，2006，26（2）：56-58.

[3] 李振连，祁志峰，魏皓.小浪底2号孔板洞中闸室偏心铰弧门流激振动原型观测试验研究[J].红水河，2007，26（1）： 146-149.endprint